[論文レビュー] Scalable Consensus Protocols for PoW based Blockchain and blockDAG

B. Swaroopa Reddy, G. V. V. Sharma|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、Proof-of-Work (PoW)ブロックチェーン向けにスケーラブルな2つの合意形成プロトコルを提案する。1つ目は、Erdös-Rényiネットワークモデルを用いた長鎖ブロックチェーンにおける最適なブロック生成レートモデルであり、2つ目は、不正ブロックをクラスタリングし、誠実なブロックを位相的に順序付けることで、スルーレットを向上させ、二重支出攻撃に耐性を持つ、画期的な教師なし学習ベースのblockDAG合意形成プロトコル（UL-blockDAG）である。UL-blockDAGプロトコルは、強力な公平性とセキュリティを備え、最大で1秒あたり1ブロックのスルーレットを達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose two models for scaling the transaction throughput in Proof-of-Work (PoW) based blockchain networks. In the first approach, a mathematical model has derived for optimal transaction throughput for PoW based longest chain rule blockchain. In this approach, the blockchain Peer-to-Peer (P2P) network is considered as Erdös-Rényi random network topology. This approach is however limited by the block creation rate, the results suggest that the rate beyond an optimal point can result in unfairness in the system. The second approach is a new consensus protocol proposed by considering the ledger as a Directed Acyclic Graph (DAG) called blockDAG instead of a chain of blocks. In this framework, we follow a two-step strategy that makes the system robust enough to handle the double-spend attacks. The first step involves the development of an unsupervised learning graph clustering algorithm for separating the blocks created by an attacker. In the second step, the attackers blocks are eliminated and the remaining blocks are arranged in topological order by honest clients which makes the blockDAG system suitable for smart contract applications found in Internet of Things (IoT) services. The Simulation results demonstrate a significant improvement in the transaction throughput compared to bitcoin.

研究の動機と目的

• Bitcoinの10分間隔ブロック間隔による低トランザクションスルーレット（3-4 TPS）とスケーラビリティの制限を解消すること。
• 高ハッシュレートを持つマイナーによる支配を防ぐために、ブロック生成レートを最適化することで、PoWブロックチェーンにおける公平性を向上させること。
• 二重支出攻撃に耐性を持ち、スケーラブルなDAGベースのレジャー（blockDAG）向けの安全で効率的な合意形成メカニズムを設計すること。
• 誠実なブロックの位相的順序付けにより、IoTおよびスマートコントラクトアプリケーション向けに高速で信頼性の高い取引承認を可能にすること。
• マイナーとそのハッシュレートの間で報酬配分が比例的になるように保証し、システムの公平性を維持すること。

提案手法

• P2PネットワークをErdös-Rényiランダムグラフとしてモデル化し、ブロック生成レート（\lambda）の関数としてメインチェーンの成長率を導出する。この関数は凹関数である。
• 攻撃者ハッシュレート（q）とネットワーク遅延径路（D）の制約下でトランザクションスルーレット（TPS）を最大化する最適化問題を定式化し、最適な \lambda = 1/D を得る。
• UL-blockDAGを提案：2段階の合意形成プロトコルで、まずノードが教師なしスペクトルグラフクラスタリングを適用して、低相互接続性に基づき二重支出攻撃者によるブロックを分離する。
• クラスタリング後、良好に接続されたブロック（誠実なブロック）は位相ソートにより順序付けられ、スマートコントラクトに適した線形で順序付けられたレジャーが形成される。
• シミュレーションを用いて、攻撃者ハッシュレート（q = 0.33およびq = 0.51）の変動下でのブロック成長率、公平性、二重支出攻撃耐性を検証する。
• 理論的な確認時間の下限とシミュレートされたブロック成長率を比較し、効率性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoWベースの長鎖ブロックチェーンにおいて、公平性を損なわずにトランザクションスルーレットを最大化する最適なブロック生成レート（\lambda）は何か？
• RQ2 最適値を上回る \lambda の増加は、システムの公平性と二重支出攻撃のリスクにどのように影響を与えるか？
• RQ3 教師なしグラフクラスタリングは、blockDAG構造における攻撃者によって生成されたブロックを効果的に検出し、分離できるか？
• RQ4 blockDAGにおける誠実なブロックの位相的順序付けは、IoTおよびスマートコントラクトに適した高速で安全かつ決定論的な取引承認を可能にするか？
• RQ5 攻撃条件が変化する中でも、UL-blockDAGプロトコルはマイナーとそのハッシュレートの間で報酬配分を比例的に維持できるか？

主な発見

• 最適なブロック生成レートは \lambda = 1/D であり、ここで D はネットワークの遅延径路を表す。このレートではスルーレットが最大化され、公平性が保たれる。
• \lambda を 1/D を超えて加速すると、高ハッシュレートを持つマイナーが支配的になり、公平性が損なわれ、二重支出攻撃のリスクが増加する。
• UL-blockDAGプロトコルは、低相互接続性に基づく教師なしグラフクラスタリングを用いて、攻撃者ブロック（q = 0.33およびq = 0.51）を効果的に分離した。
• フィルタリング後、残存する誠実なブロックは位相的に順序付けされ、スマートコントラクトアプリケーション向けに高速で決定論的な承認が可能になった。
• UL-blockDAGプロトコルは、1秒あたり約1ブロックのブロック生成レートを達成し、Bitcoinの3-4 TPSに比べて顕著にスルーレットが向上した。
• シミュレーション結果から、最適な長鎖モデルおよびUL-blockDAGの両方において、マイナーの報酬割合がハッシュレートの割合とよく一致しており、公平性が確保されていることが確認された。